Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания. Учебное пособие.pdf
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
————————————
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Омский государственный технический университет»
ИСТОЧНИКИ
ПИТАНИЯ
Учебное текстовое электронное издание
локального распространения
Рекомендовано редакционно-издательским советом
Омского государственного технического университета
Омск
Издательство ОмГТУ
2021
————————————————————————————————
Сведения об издании: 1, 2
ISBN 978-5-8149-3261-7
© ОмГТУ, 2021
1
УДК 621.314(075)
ББК 31.25я73
И91
Авторы:
Д. Г. Лобов, Д. П. Чупин, А. Г. Шкаев, В. Ю. Кобенко, Е. А. Гонтовой
Рецензенты:
С. А. Завьялов, канд. техн. наук, доцент, директор ООО «НИИРП»;
Д. Ю. Кропачев, генеральный директор АО «НПП «Эталон»
Источники питания : учеб. пособие / Д. Г. Лобов, Д. П. Чупин, А. Г. Шкаев
[и др.] ; Минобрнауки России, Ом. гос. техн. ун-т. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2021. –
1 CD-ROM (2,00 Мб). – Систем. требования: процессор с частотой 1,3 ГГц и выше ;
256 Мб RAM и более ; свободное место на жестком диске 300 Мб и более ; Windows
XP и выше ; разрешение экрана 1024×768 и выше ; CD/DVD-ROM дисковод ; Adobe
Acrobat Reader 5.0 и выше. – Загл. с титул. экрана. – ISBN 978-5-8149-3261-7.
Рассмотрены принципы работы источников вторичного электропитания и химических источников тока, применяемых в радиоэлектронной аппаратуре. Представлены
схемотехнические решения, используемые при построении линейных и импульсных
источников вторичного электропитания. Приведены особенности эксплуатации и применения химических источников тока.
Пособие предназначено для студентов очной, очно-заочной и заочной форм
обучения по направлениям 11.03.01, 11.04.01 «Радиотехника», 11.03.02, 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03, 11.04.03 «Конструирование
и технология электронных средств», 11.03.04, 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника», 12.03.01, 12.04.01 «Приборостроение», 11.05.04 «Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи».
Редактор К. В. Обухова
Компьютерная верстка Л. Ю. Бутаковой
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Сводный темплан 2021 г. © ОмГТУ, 2021
Подписано к использованию 18.05.21.
Объем 2,00 Мб.
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Источник электропитания представляет собой неотъемлемую часть
любого радиоэлектронного устройства. Все источники питания могут
быть разделены на два больших класса: источники первичного электропи-
тания (ИПЭ) и источники вторичного электропитания (ИВЭ).
В источниках первичного электропитания энергия, имеющая неэлек-
трическую природу, преобразуется в электрическую энергию. К ИПЭ мо-
гут быть отнесены электрохимические источники тока, электромеханиче-
ские генераторы, солнечные элементы, термоэлектрические генераторы,
атомные батареи, топливные элементы и т. д.
Источники вторичного электропитания предназначены для преобра-
зования электрической энергии, поступающей на вход источника, в элек-
трическую энергию с параметрами, необходимыми для питания радио-
электронной аппаратуры и отдельных электронных средств.
Данное учебное пособие содержит две части. В первой части рас-
смотрены основные принципы работы и схемотехника линейных и им-
пульсных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Большое внимание
уделено рассмотрению современной элементной базы, позволяющей реа-
лизовывать ИВЭ на основе интегральных микросхем с минимальным ко-
личеством внешних элементов.
Во второй части пособия представлены устройство, принципы рабо-
ты и особенности эксплуатации наиболее распространённых электрохи-
мических источников тока, используемых в качестве источников первич-
ного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.
3
1. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИВЭ
В большинстве случаев электропитание радиоэлектронной аппарату-
ры осуществляется источниками вторичного электропитания, которые
подключаются к источникам первичного электропитания, преобразуют их
переменное или постоянное напряжение в ряд выходных напряжений раз-
личных номиналов как постоянного, так и переменного тока с характери-
стиками, обеспечивающими нормальную работу РЭА в заданных режимах.
Источники вторичного электропитания классифицируются по следу-
ющим основным признакам [1]:
По виду входной электроэнергии:
• ИВЭ, работающие от сети переменного напряжения (однофазной
или многофазной);
• ИВЭ, работающие от сети постоянного напряжения;
• ИВЭ, работающие от сетей переменного и постоянного напряжений.
По выходной мощности:
• микромощные источники питания с выходной мощностью до 1 Вт;
• малой мощности (от 1 до 10 Вт);
• средней мощности (от 10 до 100 Вт);
• повышенной мощности (от 100 до 1000 Вт);
• большой мощности (свыше 1000 Вт).
По виду выходной электроэнергии:
• ИВЭ с выходом на переменном токе (однофазные и многофазные);
• ИВЭ с выходом на постоянном токе;
• комбинированные – с выходом на переменном и постоянном токе.
4
По номинальному значению выходного напряжения:
• низкого напряжения (до 100 В);
• среднего напряжения (от 100 до 1000 В);
• высокого напряжения (свыше 1000 В).
По степени постоянства выходного напряжения:
• нестабилизирующие ИВЭ;
• стабилизирующие ИВЭ.
По допустимому отклонению номинала выходного напряжения:
• низкой точности (свыше 5 %);
• средней (от 1 до 5 %);
• высокой (от 0,1 до 1 %);
• прецизионные (менее 0,1 %).
По пульсации выпрямленного выходного напряжения (для ИВЭ
с выходом на постоянном токе):
• с малой пульсацией (менее 0,1 %);
• со средней пульсацией (от 0,1 до 1 %);
• с большой пульсацией (свыше 1 %).
По числу выходов питающих напряжений:
• одноканальные ИВЭ, имеющие один выход;
• многоканальные, имеющие два и более выходов питающих напря-
жений.
По способу стабилизации напряжения:
• ИВЭ с непрерывным регулированием;
• ИВЭ с импульсным регулированием.
По методу стабилизации напряжения:
• параметрические стабилизаторы источников вторичного электро-
питания;
• компенсационные стабилизаторы источников вторичного электро-
питания.
На рис. 1 представлена обобщённая структурная ИВЭ.
5
~Uc
CФ – сетевой фильтр; Т – силовой трансформатор; В – система вентилей;
Ф – сглаживающий фильтр; СН – стабилизатор постоянного напряжения
СФ Т В Ф СН
Выпрямитель
Рис. 1. Обобщённая структурная схема ИВЭ:
U
вых
Сетевой фильтр СФ предназначен для подавления импульсных и вы-
сокочастотных помех питающей сети на входе ИВЭ. Кроме того, СФ
предотвращает проникновение в сеть помех, возникающих в процессе ра-
боты ИВЭ.
Силовой трансформатор Т, система вентилей СВ и сглаживающий
фильтр Ф образуют схему выпрямителя, преобразующую сетевое напря-
жение переменного тока в напряжение постоянного тока.
Силовой трансформатор предназначен для преобразования напряже-
ния питающей сети к уровню, необходимому для питания электронной
схемы, подключаемой к выходу ИВЭ. Кроме того, с помощью трансфор-
матора осуществляется гальваническая развязка входной и выходной це-
пей ИВЭ с целью обеспечения безопасности персонала, обслуживающего
электронную аппаратуру.
Со вторичной обмотки силового трансформатора напряжение пере-
менного тока поступает на вход системы вентилей В, которая преобразует
его в пульсирующее напряжение, содержащее постоянную составляю-
щую. Сглаживающий фильтр Ф служит для выделения постоянной со-
ставляющей и сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.
Для обеспечения постоянства выходного напряжения ИВЭ при изме-
нении напряжения питающей сети в схему вводится стабилизатор напря-
жения СН. Схема СН также дополнительно осуществляет сглаживание
пульсаций выходного напряжения.
6
Во многих случаях на практике для питания радиоэлектронной аппа-
ратуры требуется многоканальный ИВЭ с несколькими выходными напря-
жениями. В таком ИВЭ необходимо применять силовой трансформатор,
имеющий соответствующее число отдельных вторичных обмоток, к каж-
дой из которых подключаются отдельная система вентилей, сглаживаю-
щий фильтр и стабилизатор напряжения.
Следует отметить, что на практике часть блоков, показанных на рис. 1
в схемах реальных ИВЭ, может отсутствовать. Например, источник пита-
ния может включать в себя только силовой трансформатор. Наоборот,
в импульсном ИВЭ силовой трансформатор отсутствует и его функции
выполняет импульсный стабилизатор напряжения.
1.2. МАЛОМОЩНЫЕ СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатор представляет собой статическое (не имеющее по-
движных частей) электромагнитное устройство, имеющее две или боль-
шее число индуктивно связанных обмоток, преобразующее переменный
ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. В основе
действия трансформатора лежит явление электромагнитной индукции.
В зависимости от назначения трансформаторы подразделяются на
следующие группы: силовые, импульсные, измерительные, согласующие
и радиочастотные. Для построения источников питания электронной ап-
паратуры используются маломощные силовые трансформаторы с мощно-
стью от единиц до нескольких сотен ВА.
По исполнению (числу обмоток) трансформаторы подразделяются на
одно-, двух- и многообмоточные. К однообмоточным трансформаторам
относятся автотрансформаторы, у которых вторичной обмоткой служит
часть первичной. Таким образом, между обмотками имеется не только
магнитная, но и электрическая связь.
7
Рис. 2. Двухобмоточный трансформатор
На рис. 2 представлена схема двухобмоточного трансформатора. Об-
мотки 1 и 3 размещаются на замкнутом ферромагнитном магнитопроводе
(сердечнике) 2. Обмотка трансформатора 1, к которой подводится элек-
трическая энергия от источника питания, называется первичной. Обмот-
ка 3, от которой отводится энергия к приёмнику (нагрузке) Zн, называется
вторичной. Магнитопровод 2 служит для уменьшения магнитного сопро-
тивления контура, через который проходит магнитный поток трансформа-
тора, т. е. для усиления магнитной связи между обмотками. Магнитопро-
воды трансформаторов с целью уменьшения потерь от вихревых токов
набираются из листов электротехнической низкоуглеродистой стали или
пермаллоя толщиной 0,35–0,5 мм. При изготовлении трансформаторов
применяются стержневые, броневые и тороидальные магнитопроводы
(рис. 3).
а б в
Рис. 3. Конструкции магнитопроводов силовых трансформаторов:
а – броневой; б – стержневой; в – тороидальный
8
Рассмотрим принцип работы трансформатора. Если первичную об-
11
d
ew
dt
Φ
=−⋅
22
d
ew
dt
Φ
=−⋅
1 1m
E 4,44w f= Φ
2 2m
E 4,44w f= Φ
мотку подключить к источнику переменного напряжения u1, то в ней
начинает протекать ток i1. Этот ток возбуждает в магнитопроводе пере-
менный магнитный поток Ф1, который, замыкаясь по магнитопроводу
и пересекая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них
ЭДС е1 и е2.
Под воздействием ЭДС е2 через сопротивление нагрузки Zн будет
протекать переменный ток i2, и энергия из цепи первичной обмотки будет
передаваться в цепь вторичной обмотки за счёт переменного магнитного
потока Ф1. Ток i2 образует в сердечнике трансформатора свой собствен-
ный магнитный поток Ф
, который накладывается на поток первичной
2
обмотки. В результате в магнитопроводе создаётся общий магнитный по-
ток Ф = Ф
– Ф2, называемый основным или рабочим потоком трансфор-
1
матора.
Кроме основного магнитного потока в трансформаторе существуют
переменные магнитные потоки рассеяния ФS1 и ФS2, создаваемые токами
его обмоток и замыкающимися вокруг первичной и вторичной обмоток
в основном через воздух (на рис. 2 ФS1 и ФS2 не показаны). Значения этих
потоков прямо пропорциональны токам обмоток.
Переменные ЭДС е1 и е2 пропорциональны количеству витков w1
и w2 первичной и вторичной обмоток, а также скорости изменения маг-
нитного потока Ф:
При синусоидальном напряжении u1 действующие значения этих
ЭДС соответственно будут равны [1, 2]
где Фm – амплитудное значение основного магнитного потока; f – частота
переменного напряжения первичной обмотки.
9
;
;
. (1)
, (2)
Из формул (1) и (2) можно получить выражение для определения ко-
11 1
22 2
Eew
n
Eew
= = =
11
22хх
EU
n
EU
= =
эффициента трансформации – основного параметра, характеризующего
любой трансформатор:
. (3)
Таким образом, коэффициент трансформации есть отношение ЭДС
его обмоток или чисел витков его обмоток.
При работе трансформатора в режиме холостого хода (Zн = ∞) дей-
ствующее напряжение вторичной обмотки U2хх практически будет равно
действующей ЭДС E2. Тогда выражение (3) можно записать в виде
, (4)
где U1 – действующее напряжение первичной обмотки. Следовательно,
коэффициент трансформации равен отношению напряжений на обмотках
при холостом ходе трансформатора.
Если n > 1, то Е2 < Е1, и такой трансформатор является понижающим.
При n < 1, Е1 > Е2 трансформатор будет повышающим. Таким образом,
с помощью трансформатора можно осуществлять преобразование уровня
входного напряжения до значения, необходимого потребителю. Трансфор-
маторы с n = 1 используются для гальванической развязки источника
и электрической энергии и нагрузки.
В режиме холостого хода через первичную обмотку трансформатора
протекает ток холостого хода i
. Этот ток имеет две составляющие: реак-
1хх
тивную и активную. Реактивная составляющая создаёт в магнитопроводе
трансформатора основной магнитный поток Ф. Активная составляющая
обусловлена потерями энергии в магнитопроводе (гистерезис и вихревые
токи), потерями за счёт потоков рассеяния ФS1 и ФS2, а также тепловыми
потерями на активном сопротивлении первичной обмотки.
10